自上世纪九十年代初以来.pdf

前前 言言 自上世纪九十年代初以来 虚拟现实 又称虚拟环境 技术一直是信息领域 研究 开发和应用的热点方向之一 科技界和产业界为什么对这一新兴技术的热 情持久不衰 究其原因不外乎两点 一是虚拟现实技术本身所拥有的一系列崭新 的特点 以及由这些特点决定的应用魅力 深深地吸引了科技界的研究和不断探 索它的新应用的热情 二是虚拟现实当前的技术水平离人们心目中追求的目标尚 有较大的差距 需进一步改进它 完善它 那么 虚拟现实技术究竟给我们带来 了哪些与众不同的特点 首先 虚拟现实技术向人们提供的是一个由计算机生成 的给人多种感官剌激多种感官剌激 视觉 听觉 触觉甚至包括 嗅觉和味觉在内 的虚拟环 境 其次 虚拟现实技术强调计算机生成的虚拟世界应给人一种身临其境的沉浸 感 沉浸 感 第三 强调人能以自然方式以自然方式与虚拟世界中的对象进行交互操作 这三点都是 虚拟现实技术第一次提出的技术特点 由此可见 虚拟现实技术是 20 世纪科学 技术进步的结晶 在虚拟现实系统中集中体现了计算机软硬件技术 传感技术 人机交互感知理论等领域的最新成就 同时 虚拟现实技术也向科技界和产业界 提出了新的挑战 例如迄今为止关于嗅觉和味觉的建模和传感技术离开在虚拟现 实中应用仍有较大的距离 即使对于相对成熟的视觉 听觉和触觉的建模和再现 技术 要达到高度真实感和实时性仍然有较大距离 虚拟现实技术所拥有的独特魅力也决定了它的应用技术的鲜明特点 它提供 的看起来象真的 听起来象真的 摸起来象真的 能给人身临其境感觉的虚拟环 境 并且人机之间能以人所熟悉的自然方式进行交互操作 首先给人丰富的想象 力和直觉 从而有利于启迪人的创造力 适用于未知的宏观和微观世界的探索 其次 虚拟现实技术特别适用于恶劣 危险环境的仿真 第三 虚拟现实技术可 以替代制造业的实物样机 是虚拟设计和制造的核心技术 能大大缩短产品的开 发周期 大量节约产品成本 第四 虚拟现实技术是远程协同工作 教育 培训 的理想工具 迄今为止 虚拟现实技术在航空航天 汽车工业 重大工程论证 生物信息科学 虚拟手术仿真 科研 教育和文化娱乐业等获得广泛应用 虚拟现实的研究内容大体上可分为虚拟现实技术和虚拟现实应用两大块 由 于虚拟现实的应用面遍及自然科学 工程技术 医学 教育 军事 文化艺术与 娱乐等范畴 我们无法涉及如此众多的应用领域 虚拟现实技术本身又可分为虚 拟世界的创建和人与虚拟世界之间的自然交互操作两大部分 由于我们缺乏人机 交互方面的技术结累 本书没有涉及人机交互操作方法学方面内容 但给出了虚 拟现实系统使用的典型交互设备 对人机交互技术感兴趣读者可参阅有关专著 由此可见 本书以讲述虚拟现实技术的基础知识和构筑虚拟世界的相关技术 及 其实用算法为重点 全书共分八章 第一章介绍虚拟现实技术的概念和发展 虚拟现实系统的分 类 虚拟现实系统的硬件组成和软件结构 虚拟现实的研究内容和新兴的增强现 实技术 第二章介绍虚拟现实系统的典型硬件装置 其中大部分装置都是随着虚 拟现实技术的发展而专门研制的 如各类虚拟现实立体显示器包括头盔式立体显 示器 洞穴式立体显示装置 CAVE 响应式工作台立体显示装置 各类位置跟 踪器 各类触觉与力觉反馈装置 以及虚拟现实的交互设备 传感手套等等 第三 四 五三章介绍视觉建模技术 其中第三 四两章介绍传统的基于几何建 模技术 第五章介绍上世纪九十年代新兴的基于图象的建模和绘制技术 基于几 何的传统建模技术内容十分丰富 本书不可能作全面介绍 本书重点在于介绍为 满足实时漫游需要而提出的一系列新技术 如纹理映射技术 实时消隐技术和大 规模复杂场景的实时漫游技术 详见第三章 以及模型的多分辨率表示和多细 节层次 LOD 处理技术 详见第四章 基于图象的建模和绘制技术是解决视 觉建模中模型复杂度与绘制的真实感和实时性三者之间矛盾的一种新的视觉建 模技术 第五章系统地介绍了这一新兴技术 第六章介绍碰撞检测问题 这是虚 拟现实系统视觉建模和人机交互操作的一项关键技术 在虚拟现实系统中物体间 经常发生碰撞 从而需要及时检测到这些碰撞 并算出碰撞的后果 否则物体之 间会产生互相穿透现象 第七章介绍听觉建模技术 即三维真实感声音生成技术 这一章较系统地介绍了空间听觉感知 室内声学仿真和真实感声音生成等方面内 容 最后一章 第八章 介绍虚拟现实建模语言 VRML 的产生 组成和应用 特别适合于初学者用它来构建虚拟场景 浙江大学计算机辅助设计与图形学国家重点实验室是我国最早从事虚拟现 实技术研究的单位之一 在 1995 年春 实验室主持召开了 虚拟现实与科学计 算可视化国际研讨会 并同时举办了面向国内年青学者的同名高级研讨班 请 参加国际研讨会的知名学者到高级研讨班上讲课 该次活动对我国开展虚拟现实 技术的研究起到良好的普及与推动作用 1999 年春夏之季 浙江大学计算机辅 助设计与图形学国家重点实验室又建立了我国第一套四面洞穴式立体显示装置 CAVE 近年来 虚拟现实技术的研究 开发和应用在我国已有长足进步 在刚刚过 去的 5 月 23 日至 24 日 中国图象图形学会虚拟现实专业委员会在宁波大学成功 地召开了国内第一次虚拟现实技术研讨会 到会人数拥跃 稿件充足 是我国从 事虚拟现实研究 开发和应用科技人员的一次盛会 参加本书编写工作的都是该实验室的研究人员 或在该实验室工作过的博 士 因此本书部分内容反映了他们的研究成果 参加本书编写工作的有 鲍虎军 博士 研究员 第三章 潘志庚博士研究员 第四章 徐丹博士 云南大学副 教授 第五章 杨旭波博士 德国 GMD 博士后 第六章 张琼博士 美国威 斯康辛